Lichtquellen und Farbtemperatur

Die meisten Lichtquellen sind Temperaturstrahler. Erhitzt man einen Körper (z. B. ein Stück Stahl), wird er irgendwann beginnen, rot zu glühen. Erhitzt man weiter, glüht er gelb, dann weiss, und schliesslich blau. Er sendet stets ein kontinuierliches Spektrum elektromagnetischer Wellen aus, dessen Maximum sich mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen (von Rot nach Blau) verschiebt. Die spektrale Zusammensetzung des Lichts, den ein (idealisierter) schwarzer Körper bei einer bestimmten Temperatur aussendet, charakterisiert man mit der Farbtemperatur. Mittleres Tageslicht entspricht rund 5000 K (K=Kelvin, die Temperatur in Kelvin entspricht der in °C + 273), da die Sonne auch ein Temperaturstrahler ist. Geringere Farbtemperaturen, also gelbliches bis rötliches Licht,  werden durch Halogenlampen, normale Lampen und Flammen erzeugt. Höhere Farbtemperaturen, also bläuliches Licht, ergeben sich in praller Mittagssonne im Schatten (Beleuchtung durch den blauen Himmel) und nach Sonnenuntergang, vor allem, wenn Schnee liegt. Das Auge gleicht diese Farbstiche aus, bei Video- und Digitalkameras ist dafür ein Weissabgleich zuständig. Filme zeichnen die Farbstiche auf. In manchen Fällen, z. B. beim Fotografieren bei tiefstehender Abendsonne, ist die wärmer erscheinende Farbwiedergabe durch die geringere Farbtemperatur durchaus erwünscht. Sonst besteht die Möglichkeit, entweder einen auf die Farbtemperatur abgestimmten Film oder ein Konversionsfilter zu verwenden.
 

Bei der Herstellung von Lampen ist man bemüht, eine möglichst hohe Temperatur der Glühwendel zu erreichen. Neben der Farbtemperatur steigt damit auch die Lichtausbeute und folglich der Wirkungsgrad. Der beliebigen Erhöhung der Temperatur steht aber entgegen, dass mit steigender Temperatur zunehmend Metall von der Wendel abdampft und sich auf dem Glaskolben niederschlägt, was zunächst zu einer Schwärzung des Kolbens und schliesslich zum Durchbrennen des Glühfadens führt. Da für die Wendel bereits Wolfram verwendet wird, steht kein Material mit höherem Schmelzpunkt und niedrigerem Dampfdruck zur Verfügung. Es gibt Lampen für die Fotografie, die mit Überspannung brennen und so eine höhere Lichtausbeute und Farbtemperatur um den Preis einer kurzen Lebensdauer bieten. Um haltbare Lampen mit höherer Lichtausbeute zu bauen, kann man sich eines chemischen und eines physikalischen Tricks bedienen:
Der chemische Trick kommt in Halogenlampen zur Anwendung. Halogene sind aggressive Gase, die sich mit Metallen zu Salzen verbinden. In einer Halogenlampe, die in ihrer Gasfüllung geringe Mengen eines Halogens enthält, verbindet sich das Halogen mit dem abgedampften Wolfram zu Wolframhalogenid. An der Wendeloberfläche selber herrschen so hohe Temperaturen, dass dort das Wolframhalogenid wieder zerfällt, das Wolfram wird so an die Wendel zurückgeführt und das Halogen wieder frei. Um zu verhindern, dass sich das Wolframhalogenid an der Kolbenwand niederschlägt, muss diese im Betrieb sehr heiss bleiben. Um dies zu gewährleisten, baut man die Lampen sehr kompakt. Dies ist zwar ein weiterer Vorteil von Halogenlampen, jedoch scheidet wegen der hohen Temperaturen normales Glas als Material für den Kolben aus. Aufgrund des verwendeten Quarzes sind Halogenlampen teurer als herkömmliche Glühbirnen. Der Kolben darf nicht mit den Fingern berührt werden, da sich anhaftende Fettspuren in den Kolben einbrennen und die Lampe mittelfristig zerstören.
Der physikalische Trick besteht darin, dem Dampfdruck der Metallwendel durch einen Gegendruck zu begegnen: Einerseits lässt sich für die Füllung des Kolbens ein schwereres Gas verwenden. Da jedoch wegen der hohen Reaktivität des heissen Metalls nur Edelgase in Betracht kommen, beschränkt sich die Auswahl auf die schweren Edelgase Krypton und Xenon, die relativ teuer sind. Andererseits ist es möglich, den Kolben unter Druck zu setzen. Da von einem unter 100 bar Druck gesetzten Quarzkolben jedoch eine erhebliche Gefahr ausgeht, kommen solche Lampen nur in Sonderfällen wie Stadion-Flutlichtern oder Leuchttürmen zum Einsatz.

Eine weitere Möglichkeit zur Lichterzeugung besteht darin, ein Gas oder einen Metalldampf durch elektrische Entladungen zum Leuchten zu bringen. Die Entladung regt die Moleküle des Gases oder Dampfes an, diese geben die Energie dann in Form von Licht wieder ab. Je nach Gas entsteht dabei Licht einer oder mehrerer diskreter Frequenzen, die im Spektrum als Linien erscheinen. Man bezeichnet diese Lichtquellen daher als Linienstrahler. Beispiele sind Gasentladungslampen, Leuchtstoffröhren und Elektronenblitze. Sind sie nicht explizit für die Fotografie vorgesehen, kann ihre Verwendung zu unschönen Farbstichen führen. So ergeben die meisten kommerziellen Leuchtstoffröhren einen deutlichen Grünstich. Auch hier kann ein spezielles Filter Abhilfe schaffen, besser ist es jedoch, auf eine andere Lichtquelle auszuweichen. Die Brauchbarkeit der Linienstrahler hängt mit der Anzahl der abgestrahlten Frequenzen zusammen: So ergeben Natriumdampflampen einfarbig gelbes Licht, welches vom Auge und vom Film gleichermassen als Gelb wahrgenommen wird und daher nur in Ausnahmefällen zu Beleuchtungszwecken zur Anwendung kommt (Fussgängerüberwege). Bei Quecksilberdampflampen und Leuchtstoffröhren, die mehrere Frequenzen abstrahlen, bemüht man sich durch geeignete Leuchtschichten, die unerwünschtes UV in sichtbares Licht umwandeln, eine möglichst weisse Färbung des Lichts zu erreichen. In diesen Fällen überlagern sich häufig ein kontinuierliches und ein Linienspektrum. Bleibende Farbstiche sind durch die Anpassung des Auges häufig nicht mehr sichtbar, werden aber vom Film registriert. Xenon-Gasentladungslampen, wie sie in Elektronenblitzen verwendet werden, strahlen schliesslich auf so vielen Frequenzen, dass ein Unterschied zum kontinuierlichen Spektrum eines Temperaturstrahlers weder vom Auge noch vom Film erfasst werden kann.

Eine weitere Lichtquelle, die zunehmend Bedeutung erlangt, sind Leuchtdioden (LED). Hier wird in Halbleiterkristallen Licht erzeugt, indem Elektronen mit entsprechenden Fehlstellen im Kristall rekombinieren und die freiwerdende Energie als Licht emittieren. Auch LED sind Linienstrahler, die in einem engen Frequenzbereich Licht ausstrahlen. Seit einiger Zeit ist es möglich, preiswerte weisse LEDs herzustellen. Es handelt sich um sehr helle blaue LEDs, bei denen der Chip in ein fluoreszierendes Material eingebettet wird, welches einen Teil des blauen Lichts in längerwelliges Licht umwandelt, sodass sich ein weisser Farbeindruck ergibt.
 

Die Spektren zeigen deutlich die abgestrahlten Linien, die überlagert sind von einem kontinuierlichen Spektrum des verwendeten Fluoreszenzfarbstoffs. Der Vorteil von Gasentladungslampen und Leuchtdioden ist ihr hoher Wirkungsgrad durch hohe Lichtausbeute.